鋰硫電池能否解決電子航空電池的局限性

王楠/唐山駿楠貿(mào)易有限公司，河北省 唐山市 063000

鋰硫電池的能量密度是鋰離子電池的兩倍，但是其功率系數(shù)和循環(huán)壽命仍需改進(jìn)。鋰硫電池的研發(fā)將大大推進(jìn)航空電池技術(shù)的進(jìn)步，并帶來深刻影響。

制造商們正在驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)用的全電動(dòng)飛行器是可行的，但只有當(dāng)電池能夠突破目前對其性能的嚴(yán)重局限性，才能放松對其尺寸和航程的限制。

電池領(lǐng)域通常都會(huì)虛報(bào)數(shù)據(jù)，但一些下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)正處于商業(yè)化的早期階段，它們提供的能量密度要高于目前的鋰離子電池——這是飛機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

備受青睞的選項(xiàng)中包括用固態(tài)電池取代鋰離子中的液體電解質(zhì)，使電池更安全，能量密度更高。豐田和其他汽車制造商正在致力于從事固態(tài)電池的研究，因?yàn)楣虘B(tài)電池的高體積能量密度將使電池體積更小。另一種方法是鋰金屬，它用鋰金屬代替鋰離子中的石墨陽極來增加能量密度。

另一種很有前途的電池化學(xué)物質(zhì)鋰硫(Li-S)正受到關(guān)注，因?yàn)橛姵爻鮿?chuàng)企業(yè)Oxis Energy公司與美國電動(dòng)飛機(jī)制造商Bye Aerospace公司達(dá)成協(xié)議，將合作開發(fā)應(yīng)用于飛機(jī)的鋰硫電池技術(shù)。Bye Aerospace公司已經(jīng)在開發(fā)一種使用鋰離子電池的雙座訓(xùn)練機(jī)，即eFlyer 2，并致力于將鋰硫電池應(yīng)用到大型飛機(jī)上。

總部位于英國阿賓敦的Oxis Energy公司成立于2004年，電池開發(fā)主管馬克·克里滕登表示，該公司已將鋰硫電池的能量密度提高至每千克400Wh以上，明年初將達(dá)到每千克500Wh。相比之下，目前最好的鋰離子電池的能量密度大約為250Wh/g。

這一性能也超過了Sion Power公司生產(chǎn)的鋰硫電池350Wh/g的能量密度，2015年Qinetiq公司(現(xiàn)已被空客收購)Zephyr太陽能高空無人機(jī)使用了該電池，創(chuàng)下了11天的飛行續(xù)航時(shí)間紀(jì)錄。Zephyr隨后的一次飛行超過25天，但使用了一種不同的電池技術(shù)。

圖1 Bye Aerospace公司正在尋找用于比雙座eFLyer 2更大的電動(dòng)飛機(jī)的鋰硫電池。(圖片來源：Bye Aerospace公司)

對于電池來說，細(xì)節(jié)是關(guān)鍵，能量密度并不是唯一的關(guān)鍵參數(shù)。功率系數(shù)、充放電速率、安全性和循環(huán)壽命也是影響因素?！斑x擇正確的市場很重要，”馬克·克里滕登說。

鋰硫是一種高能量，但它的功率并不高——意思是它釋放儲(chǔ)存能量的速度。像Zephyr這樣的高空偽衛(wèi)星需要高能量，但只需要非常低的放電或充電速率。電動(dòng)垂直升降飛行器在起飛和降落過程中放電率高，因此需要高能量密度和高功率系數(shù)。

“對于電動(dòng)垂直升降來說，關(guān)鍵指標(biāo)不僅僅是能量密度達(dá)到400Wh/kg，還要能夠達(dá)到2-3 C的高放電速率。”馬克·克里滕登說，“現(xiàn)在還沒有達(dá)到這個(gè)速度，但我們認(rèn)為這是一個(gè)可以提高鋰硫性能的領(lǐng)域。這是我們的目標(biāo)之一?！?/p>

例如，Bye公司正在研制的傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)，其飛行任務(wù)屬于通用航空，只在起飛和爬升時(shí)才需要高功率，因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間相對較短，限制了所需的放電速度。“對于通用航空來說，我們有一個(gè)在高充電速率下的短起飛階段，在低充電速率下的巡航階段，然后在著陸時(shí)充放電速率會(huì)真正下降?！瘪R克·克里滕登說，“我們可以應(yīng)付這一情況?！?/p>

就像許多替代電池的化學(xué)成分一樣，鋰硫電池的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是循環(huán)壽命，這阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。 Oxis公司的鋰硫電池的循環(huán)壽命大概是200次，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于鋰離子可能的數(shù)千次循環(huán)。例如，優(yōu)步正計(jì)劃在1300次充電后更換其電動(dòng)升降飛行器的鋰電池，屆時(shí)鋰電池的容量將達(dá)到85%，隨后會(huì)將其銷售到穩(wěn)定的電力市場，在那里，鋰電池預(yù)計(jì)將有更長的使用壽命周期。

“這是我們正在尋求改進(jìn)的領(lǐng)域?！瘪R克·克里滕登說，“過去10年我們的重點(diǎn)是能源密度，與鋰離子電池相比，取得了較好的效果?，F(xiàn)在我們希望通過提高功率系數(shù)和循環(huán)壽命來擴(kuò)大鋰硫電池的應(yīng)用?！監(jiān)xis公司的目標(biāo)是在兩年內(nèi)至少達(dá)到500次的循環(huán)壽命。

鋰硫電池相對于鋰離子電池的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是成本更低。馬克·克里滕登說，這有兩種方式來實(shí)現(xiàn)。一是生產(chǎn)電池的材料成本較低，因?yàn)榱虮蠕囯x子電池中使用的鈷和其他稀有元素便宜得多；其次是能產(chǎn)生更高的能源密度。“只需要更少的材料來儲(chǔ)存同樣的能量，”他說，“兩倍的能量密度意味著一半數(shù)量的電池?！?/p>

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是安全。鋰離子電池中鋰的枝狀生長可能導(dǎo)致短路和破壞性的熱失控，需要精心設(shè)計(jì)以防止鋰離子電池中鋰的擴(kuò)散。這導(dǎo)致了重量和尺寸方面的局限性，使飛機(jī)上減少大約25%的能量密度。

“鋰硫電池不會(huì)形成枝狀生長。”馬克·克里滕登說，“當(dāng)鋰耗盡時(shí)，形成的任何小的碰撞都會(huì)在下一個(gè)循環(huán)中被削弱?！逼浣Y(jié)果是“苔蘚狀”生長，而不是像在鋰離子中形成枝狀，連接陽極和陰極導(dǎo)致短路。他說：“鋰硫電池不會(huì)以一種有問題的方式退化?！?/p>

Oxis公司已經(jīng)進(jìn)行了聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)的UN/DOT 38.3測試，該測試是鋰電池安全運(yùn)輸所必需的，包括釘子和子彈的穿透和增壓。馬克·克里滕登說：“鋰硫電池的性能非常好?！?/p>

這家英國公司現(xiàn)在正準(zhǔn)備投產(chǎn)——比最初計(jì)劃的要晚——在威爾士的塔爾伯特港建立一個(gè)生產(chǎn)陰極和電解質(zhì)的工廠，并在巴西建立一個(gè)軟包電池組裝工廠。第一階段的商業(yè)化計(jì)劃將于2022年上線，擁有“每年幾百萬個(gè)電池”的生產(chǎn)能力，相比之下，Oxis公司的原型工廠每年可以生產(chǎn)1萬塊左右。

至于市場方面，Oxis公司計(jì)劃發(fā)揮鋰硫電池的優(yōu)勢。馬克·克里滕登說，目標(biāo)是“把該電池投放到哪些領(lǐng)域”的應(yīng)用，并回報(bào)以更高的能量密度。其中包括：電動(dòng)公共汽車，其中的電池組可以重達(dá)數(shù)噸；應(yīng)用到防御的便攜和可穿戴電源；航空航天?！拔覀兊脑缙诳蛻粽谒麄兊募褐袦y試我們的電池，我們也為其他客戶構(gòu)建了概念驗(yàn)證集群”，馬克·克里滕登表示。

關(guān)于鋰硫電池在航空領(lǐng)域的潛力，Oxis公司已與一家未透露身份的歐洲飛機(jī)制造商合作，來展示其性能。這包括對使用鋰離子電池的飛機(jī)進(jìn)行飛行剖面圖的記錄，然后通過鋰硫電池組進(jìn)行分析。

馬克·克里滕登說:“鋰硫電池更輕，所以我們能夠在飛機(jī)上安裝更大的電池。”電池越大，起飛所需的放電速率就越低。他說:“所需的功率和電池的尺寸降低了充放電速率，這對我們有利?！变嚵螂姵馗叩哪芰棵芏妊娱L了巡航階段，使得續(xù)航時(shí)間“顯著改善”。